《电力电子技术》习题及解答

《电力电子技术》习题及解答

1晶闸管的导通条件是什么? 导通后流过晶闸管的电流和负载上的电压由什么决定?

答：晶闸管的导通条件是：晶闸管阳极和阳极间施加正向电压，并在门极和阳极间施加正向触发电压和电流（或脉冲）。

导通后流过晶闸管的电流由负载阻抗决定，负载上电压由输入阳极电压UA决定。

2晶闸管的关断条件是什么? 如何实现? 晶闸管处于阻断状态时其两端的电压大小由什么决定?

答：晶闸管的关断条件是：要使晶闸管由正向导通状态转变为阻断状态，可采用阳极电压反向使阳极电流IA减小，IA下降到维持电流IH以下时，晶闸管内部建立的正反馈无法进行。进而实现晶闸管的关断，其两端电压大小由电源电压UA决定。

3温度升高时，晶闸管的触发电流、正反向漏电流、维持电流以及正向转折电压和反向击穿电压如何变化？

答：温度升高时，晶闸管的触发电流随温度升高而减小，正反向漏电流随温度升高而增大，维持电流IH会减小，正向转折电压和反向击穿电压随温度升高而减小。

4晶闸管的非正常导通方式有哪几种？

答：非正常导通方式有：(1) Ig=0，阳极电压升高至相当高的数值；(1) 阳极电压上升率du/dt过高；(3) 结温过高。

5请简述晶闸管的关断时间定义。

答：晶闸管从正向阳极电流下降为零到它恢复正向阻断能力所需的这段时间称为关断时间。即tqtrrtgr。

6试说明晶闸管有哪些派生器件？

答：快速晶闸管、双向晶闸管、逆导晶闸管、光控晶闸管等。

7型号为KP100-3，维持电流IH=4mA的晶闸管，使用在图题1.8所示电路中是否合理，为什么?(暂不考虑电压电流裕量)

图题1.8

答：（a）因为IA100V2mAIH，所以不合理。

50K200V(b) 因为IA20A, KP100的电流额定值为100Ａ，裕量达５

10150V150A，大于额定值，所以不合理。 1倍，太大了。

（c）因为IA8 图题1.9中实线部分表示流过晶闸管的电流波形，其最大值均为Im，试计算各图的电流平均值．电流有效值和波形系数。

解：图(a)： IT(AV)=

1200Imsintd(t)=

Im

IT=

12(Imsint)2d(t)=

Im 2 Kf=

ITIT(AV)=1.57

图题1．9

图(b)： IT(AV)=

1100Imsintd(t)=

2Im Im2

IT=

IT(Imsint)2d(t)=

Kf=

IT(AV)=1.11

1图(c)： IT(AV)=

IT=

3Imsintd(t)=

3Im 213(Imsint)2d(t)= Im

130.63Im 38Kf=

ITIT(AV)12=1.26

图(d)： IT(AV)=

3Imsintd(t)=

3Im 41IT=

2Kf=

3(Imsint)2d(t)= Im

130.52Im 66ITIT(AV)=1.78

1图(e)： IT(AV)=

240Imd(t)=

Im 8Im22

1IT=

2Kf=

40Imd(t)=

2ITIT(AV)=2.83

1图(f)： IT(AV)=

220Imd(t)=

Im 4Im 21IT=

2Kf=

20Imd(t)=

2ITIT(AV)=2

9上题中，如不考虑安全裕量，问额定电流100A的晶闸管允许流过的平均电流分别是多少?

解：(a)图波形系数为1.57，则有： 1.57IT(AV)=1.57100A , IT(AV) = 100 A

(b)图波形系数为1.11，则有： 1.11IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=141.4A (c)图波形系数为1.26，则有： 1.26IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=124.6A (d)图波形系数为1.78，则有： 1.78IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=88.2A (e)图波形系数为2.83，则有： 2.83IT(AV)=1.57100A, IT(AV)=55.5A

(f)图波形系数为2，则有： 2IT(AV)=1.57100A , IT(AV)=78.5A 10某晶闸管型号规格为KP200-8D，试问型号规格代表什么意义?

解：KP代表普通型晶闸管，200代表其晶闸管的额定电流为200A，8代表晶闸管的正反向峰值电压为800V，D代表通态平均压降为0.6VUT0.7V。

11如图题1.12所示，试画出负载Rd上的电压波形(不考虑管子的导通压降)。

图题1.12 解：其波形如下图所示：

12单相正弦交流电源，晶闸管和负载电阻串联如图题1.14所示，交流电源电压有效值为220V。

(1)考虑安全余量，应如何选取晶闸管的额定电压？

(2)若当电流的波形系数为Kf=2.22时，通过晶闸管的有效电流为100A，考

虑晶闸管的安全余量，应如何选择晶闸管的额定电流？ 解：（1）考虑安全余量, 取实际工作电压的2倍

UT=2V, 取600V （2）因为Kf=2.22, 取两倍的裕量，则：

2IT(AV)2.22100A

得： IT(AV)=111(A) 取100A。

图题1.14

13什么叫GTR的一次击穿?什么叫GTR的二次击穿?

答：处于工作状态的GTR，当其集电极反偏电压UCE渐增大电压定额BUCEO

时，集电极电流IC急剧增大（雪崩击穿），但此时集电极的电压基本保持不变，这叫一次击穿。

发生一次击穿时，如果继续增大UCE，又不限制IC，IC上升到临界值时，UCE

突然下降，而IC继续增大（负载效应），这个现象称为二次击穿。

14怎样确定GTR的安全工作区SOA?

答：安全工作区是指在输出特性曲线图上GTR能够安全运行的电流、电压的极限范围。按基极偏量分类可分为：正偏安全工作区FBSOA和反偏安全工作区RBSOA。正偏工作区又叫开通工作区，它是基极正向偏量条件下由GTR的最大允许集电极功耗PCM以及二次击穿功率PSB，ICM，BUCEO四条限制线所围成的区域。反偏安全工作区又称为GTR的关断安全工作区，它表示在反向偏置状态下GTR关断过程中电压UCE，

电流IC限制界线所围成的区域。

15GTR对基极驱动电路的要求是什么？ 答：要求如下：

（1）提供合适的正反向基流以保证GTR可靠导通与关断， （2）实现主电路与控制电路隔离，

（3）自动保护功能，以便在故障发生时快速自动切除驱动信号避免损坏GTR。 （4）电路尽可能简单，工作稳定可靠，抗干扰能力强。 16在大功率GTR组成的开关电路中为什么要加缓冲电路?

答：缓冲电路可以使GTR在开通中的集电极电流缓升，关断中的集电极电压缓升，避免了GTR同时承受高电压、大电流。另一方面，缓冲电路也可以使GTR的集电极电压变化率

dudi和集电极电流变化率得到有效值抑制，减小开关损耗和防dtdt止高压击穿和硅片局部过热熔通而损坏GTR。

17与GTR相比功率MOS管有何优缺点?

答：GTR是电流型器件，功率MOS是电压型器件，与GTR相比，功率MOS管的工作速度快，开关频率高，驱动功率小且驱动电路简单，无二次击穿问题，安全工作区宽，并且输入阻抗可达几十兆欧。

但功率MOS的缺点有：电流容量低，承受反向电压小。 18试简述功率场效应管在应用中的注意事项。

答：（1）过电流保护，（2）过电压保护，（3）过热保护，（4）防静电。 19与GTR、VDMOS相比，IGBT管有何特点?

答：IGBT的开关速度快，其开关时间是同容量GTR的1/10，IGBT电流容量大，是同容量MOS的10倍；与VDMOS、GTR相比，IGBT的耐压可以做得很高，最大允许电压UCEM可达4500V，IGBT的最高允许结温TJM为150℃，而且IGBT的通态压降在室温和最高结温之间变化很小，具有良好的温度特性；通态压降是同一耐压规格

VDMOS的1/10，输入阻抗与MOS同。

20在SCR、GTR、IGBT、GTO、MOSFET、IGCT及MCT器件中，哪些器件可以承受反向电压？哪些可以用作静态交流开关？

答：SCR、GTR、IGBT、GTO、MCT都可承受反向电压。SCR可以用作静态开关。

21试说明有关功率MOSFET驱动电路的特点。

答：功率MOSFET驱动电路的特点是：输入阻抗高，所需驱动功率小，驱动电路简单，工作频率高。

22 什么是整流？它与逆变有何区别？

答：整流就是把交流电能转换成直流电能，而将直流转换为交流电能称为逆变，它是对应于整流的逆向过程。

23 单相半波可控整流电路中，如果： (1) 晶闸管门极不加触发脉冲； (2) 晶闸管内部短路； (3) 晶闸管内部断开；

试分析上述三种情况负载两端电压ud和晶闸管两端电压uT的波形。

答：（1）负载两端电压为0，晶闸管上电压波形与U2相同； （2）负载两端电压为U2，晶闸管上的电压为0； （3）负载两端电压为0，晶闸管上的电压为U2。

24某单相全控桥式整流电路给电阻性负载和大电感负载供电，在流过负载电流平均值相同的情况下，哪一种负载的晶闸管额定电流应选择大一些?

答：带大电感负载的晶闸管额定电流应选择小一些。由于具有电感，当其电流增大时，在电感上会产生感应电动势，抑制电流增加。电阻性负载时整流输出电流的峰值大些，在流过负载电流平均值相同的情况下，为防此时管子烧坏，应选择额定电流大一些的管子。

25某电阻性负载的单相半控桥式整流电路，若其中一只晶闸管的阳、阴极之间被烧断，试画出整流二极管、晶闸管两端和负载电阻两端的电压波形。

解：设α=0，T2被烧坏，如下图：

26相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?带大电感负载时，负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积是否等于负载有功功率，为什么?

答：相控整流电路带电阻性负载时，负载电阻上的平均功率PdUdId不等于负载有功功率PUI。因为负载上的电压、电流是非正弦波，除了直流Ud与Id外还有谐波分量U1,U2,222和I1,I2,，负载上有功功率为

PPdP1P2>PdUdId。

相控整流电路带大电感负载时，虽然Ud存在谐波，但电流是恒定的直流，故负载电阻Rd上的Ud与Id的乘积等于负载有功功率。

27某电阻性负载，Rd=50Ω,要求Ud在0~600V可调，试用单相半波和单相全控桥两种整流电路来供给，分别计算：

(1) 晶闸管额定电压、电流值；

(2) 连接负载的导线截面积(导线允许电流密度j=6A／mm2)； (3) 负载电阻上消耗的最大功率。 解：（1）单相半波0时,U2UUd60060012A 1333V,IddRd500.450.45晶闸管的最大电流有效值 IT1.57Id18.8A 晶闸管额定电流为 IT(AV)晶闸管承受最大电压为 URMIT12(A) 1.572U2=1885V

取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和30A。

所选导线截面积为 SI18.83.13mm2 J62负载电阻上最大功率 PRITR17.7kW （2）单相全控桥0时,U2UUd60060012A 667V,IddRd500.90.9负载电流有效值 I1.11Id13.3A (Kf=1.11) 晶闸管的额定电流为 IT(AV)IIT 6(A) IT=

1.5722U2=1885V

晶闸管承受最大电压为 URM取2倍安全裕量，晶闸管的额定电压、额定电流分别为4000V和20A。

所选导线截面积为 SI13.32.22mm2 J62负载电阻上最大功率 PRIR8.9kW

28整流变压器二次侧中间抽头的双半波相控整流电路如图题2.8所示。 (1) 说明整流变压器有无直流磁化问题?

(2) 分别画出电阻性负载和大电感负载在α=60°时的输出电压Ud、电流id的波形，比较与单相全控桥式整流电路是否相同。若已知U2=220V，分别计算其输出直流电压值Ud。

（3）画出电阻性负载α=60°时晶闸管两端的电压uT波形，说明该电路晶闸管承受的最大反向电压为多少?

图题2.8

解：（1）因为在一个周期内变压器磁通增量为零，所以没有直流磁化。 （2）其波形如下图所示，与单相全控桥式整流电路相同。

1cos0.9220(1cos600)148.5V 电阻性负载： Ud0.9U222感性负载： Ud0.9U2cos99V

(3)其波形如下图所示，晶闸管承受的最大反向电压为22U2。

29 三相半波相控整流电路带大电感负载，Rd=10Ω，相电压有效值U2=220V。求α=45°时负载直流电压Ud、流过晶闸管的平均电流IdT和有效电流IT，画出ud、iT2、uT3的波形。

16解：Ud2U2sintd(t)1.17U2cos 2/365因为：U2220V ，45

0Ud=1.17Ud1.17U2cos45182V=182V

IdUd182V18.2A Rd10IdTT1IdId6.1A 23ITT1IdId10.5A 23ud、iT2、uT3波形图如下所示：

30在图题2.11所示电路中，当α=60°时，画出下列故障情况下的ud波形。 (1) 熔断器1FU熔断。 (2) 熔断器2FU熔断。

(3) 熔断器2FU、3FU同时熔断。

图题2.11

解：这三种情况下的波形图如下所示：

(a)

(b)

(c)

31现有单相半波、单相桥式、三相半波三种整流电路带电阻性负载，负载电流Id都是40A，问流过与晶闸管串联的熔断器的平均电流、有效电流各为多大?

解：设0

单相半波：IdT=Id=40A

IT1.57IdT62.8A (Kf=1.57)

单相桥式：IdT=

1Id=20A 2IT三相半波：IdT=

01Id28.3A 21Id=13.3A 3当0时 Ud=1.17U2 U2=Ud/1.17

o30时 ITU2Rd123(cos2)232

Id123()23.5A

1.1723232三相全控桥式整流电路带大电感负载，负载电阻Rd=4Ω，要求Ud从0~220V之间变化。试求：

(1)不考虑控制角裕量时，整流变压器二次线电压。

(2)计算晶闸管电压、电流值，如电压、电流取2倍裕量，选择晶闸管型号。

解：（1）因为Ud=2.34U2cos；不考虑控制角裕量，0时

U2Ud94V 2.34U2l3U2168.2V

（2）晶闸管承受最大电压为6U2230.3V 取2倍的裕量,URM=460.6V

晶闸管承受的平均电流为IdT=又因为Id1Id 3Ud220V55A Rd4所以IdT=18.33A，取2倍的裕量IdTmax=36.67(A) 选择KP50—5的晶闸管。

33 三相半波相控整流电路带电动机负载并串入足够大的电抗器，相电压有效值U2=220V，电动机负载电流为40A，负载回路总电阻为0.2Ω，求当α=60°时流过晶闸管的电流平均值与有效值、电动机的反电势。

解：电流平均值为：IdT= 电流有效值为：IT1Id=40/3=13.3 30.511Id23A

Id3设电动机的反电势为ED，则回路方程为：

UdEDIdRL

16而 Ud2U2sintd(t)1.17U2cos128.7V 2/365所以 ED128.7400.2120.7V

34三相全控桥电路带串联Ld的电动机负载，已知变压器二次电压为100V，变压器每相绕组折合到二次侧的漏感L1为100μH，负载电流为150A，求：

(1)由于漏抗引起的换相压降；

(2)该压降所对应整流装置的等效内阻及α=0°时的换相重叠角。

3X1Id32501001061501.5V 解：(1) U22(2)

cos1(cos21Id6U2)

cos(1等效内阻r12501001061506100)11

1.5V0.01 150A35什么是有源逆变？有源逆变的条件是什么？有源逆变有何作用？

答：如果将逆变电路交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电，反送到电网上去称为有源逆变。

有源逆变的条件：

（1） 一定要有直流电动势，其极性必须与晶闸管的导通方向一致，其值应稍大于变流器直流侧的平均电压；

（2） 变流器必须工作在有源逆变的作用：

它可用于直流电机的可逆调速，绕线型异步电动机的串级调速，高压电流输电太阳能发电等方面。

36无源逆变电路和有源逆变电路有何区别？

答：有源逆变电路是把逆变电路的交流侧接到电网上，把直流电逆变成同频率的交流反送到电网去。无源逆变电路的交流侧直接接到负载，将直流电逆变成某一频率或可变频率的交流供给负载。

37有源逆变最小逆变角受哪些因素限制？为什么？

答：最小有源逆变角受晶闸管的关断时间tq折合的电角度、换相重叠角以及安全裕量角的限制。如果不能满足这些因素的要求的话，将导致逆变失败。

38试比较Buck电路和Boost电路的异同。

答；相同点：Buck电路和Boost电路多以主控型电力电子器件（如GTO，GTR，VDMOS和IGBT等）作为开关器件，其开关频率高，变换效率也高。

不同点：Buck电路在T关断时，只有电感L储存的能量提供给负载，实现降压变换，且输入电流是脉动的。而Boost电路在T处于通态时，电源Ud向电感L充电，同时电容C集结的能量提供给负载，而在T处于关断状态时，由L与电源E同时向负载提供能量，从而实现了升压，在连续工作状态下输入电流是连续的。

40试说明直流斩波器主要有哪几种电路结构？试分析它们各有什么特点？

2的区域内使Ud<0。

答：直流斩波电路主要有降压斩波电路（Ｂuck），升压斩波电路（Ｂoost），升降压斩波电路（Ｂuck－Ｂoost）和库克（Ｃook）斩波电路。

降压斩波电路是：一种输出电压的平均值低于输入直流电压的变换电路。它主要用于直流稳压电源和直流直流电机的调速。

升压斩波电路是：输出电压的平均值高于输入电压的变换电路，它可用于直流稳压电源和直流电机的再生制动。

升降压变换电路是输出电压平均值可以大于或小于输入直流电压，输出电压与输入电压极性相反。主要用于要求输出与输入电压反向，其值可大于或小于输入电压的直流稳压电源。

库克电路也属升降压型直流变换电路，但输入端电流纹波小，输出直流电压平稳，降低了对滤波器的要求。

41有一开关频率为50kHz的Buck变换电路工作在电感电流连续的情况下，L=0.05mH，输入电压Ud=15V，输出电压U0=10V

求占空比D的大小； 解：（1）

UdU110， D00.667 U0DUd1542图题3.8所示的电路工作在电感电流连续的情况下，器件T的开关频率为100kHz，电路输入电压为交流220V，当RL两端的电压为400V时：

(1) 求占空比的大小；

题图3.8

解:（１）由题意可知： U0Ud 1DDUdU0400220=0.45 U040043在Boost变换电路中，已知Ud=50V，L值和C值较大，R=20Ω，若采用脉宽调制方式，当Ts=40μs，ton=20μs时，计算输出电压平均值U0和输出电流平均值I0。

解：U0tontofftoffUd＝

Ud50100V 1D0.5由于Ｌ和Ｃ的值都比较大，

I0U01005A R2044什么是电压型和电流型逆变电路？各有何特点？

答：按照逆变电路直流侧电源性质分类，直流侧为电压源的逆变电路称为电压型逆变电路，直流侧为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。

电压型逆变电路的主要特点是：

（2） 直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源。直流电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。

（3） 由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关，而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同，其波形接近于三角波或正弦波。

（4） 当交流侧为阻感性负载时，需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了二极管。

（5） 逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，

故功率的脉动是由交流电压来提供。

（6） 当用于交—直—交变频器中，负载为电动机时，如果电动机工作在再生制动状态，就必须向交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交—直整流桥再反并联一套逆变桥。

电流型逆变电路的主要特点是：

（1） 直流侧串联有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回

路呈现高阻抗。

（2） 因为各开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。

（3） 直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，故可控器件不必反并联二极管。

（4） 当用于交—直—交变频器且负载为电动机时，若交—直变换为可控整流，则很方便地实现再生制动。

45 电压型逆变电路中的反馈二极管的作用是什么？

答：在电压型逆变电路中，当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。当输出交流电压与电流的极性相同时，电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压与电流极性相反时，由反馈二极管提供电流通道。

46为什么在电流型逆变电路的可控器件上要串联二极管？

解：由于全电路开关管采用自关断器件，其反向不能承受高电压，所以需要在各开关器件支路串入二极管。

47试说明PWM控制的工作原理。

答：将一个任意波电压分成N等份，并把该任意波曲线每一等份所包围的面积都用一个与其面积相等的等幅矩形脉冲来代替，且矩形脉冲的中点与相应任意波

等份的中点重合，得到一系列脉冲列。这就是PWM波形。但在实际应用中，人们采用任意波与等到腰三角形相交的方法来确定各矩形脉冲的宽度。

PWM控制就是利用PWM脉冲对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。

48单极性和双极性 PWM调制有什么区别？

解：单极性ＰＷＭ控制方式在调制信号Ur的正半个周期或负半个周期内，三角波载波是单极性输出的，所得的ＰＷＭ波也是单极性范围内变化的。而双极性ＰＷＭ控制方式中，三角波载波始终是有正有负，而输出的ＰＷＭ波是双极性的。

62可控整流电路实现有源逆变的条件是什么？具有续流二极管的晶闸管电路能否逆变？为什么？

答：可控整流电路能够逆变的条件：

1）有直流电动势，其极性须和晶闸管的导通方向一致，其值应大于变流电路直流侧的平均电压。

2）要求晶闸管的控制角〉2，使Ud为负值。

具有续流二极管的晶闸管整流电路不能实现有源逆变，因为其输出整流电压

Ud不能为负值。

63有一单相交流调压电路，带阻感性负载，负载阻抗角为，触发角的移相范围是多少？为什么？

答：角移相范围，因为假设直接用正弦波给该负载供电，稳态时负载电流为正弦波，其相位滞后于电源电压角，显然用晶闸管控制输出电压，只能进行滞后控制，使负载电流更为滞后，而无法使其超前，因而触发角角移相范围。

64简述SPWM控制技术中的自然采样法和规则采样法（结合交截图形分析）。 答：

uoTcADBtuoot

结合上图可知，自然采样法是将参考正弦波和三角载波交截，其交点处作为功率器件的开关点，从而输出SPWM波形；规则采样法同样是用参考正弦波和三角载波比较，以三角波中点D作横轴的平行线，该线与三角波交点作为功率器件的开关点，从而输出SPWM波形；

65在电阻负载基本升压斩波电路中，已知输入电压为50～150V，电感和电容

t50S值极大，负载电阻为20，T100S,on时，计算输出电压平均值范

围和输出电流平均值范围。 解：该升压电路的占空比为，

Dton50S0.5 T100S根据输出电压公式，Vo VominVin， 1D50100V

10.5150300V Vomax10.5所以输出电压范围：100～300V 再根据输出负载电阻20，输出电流范围：5～15A

66.简述IGBT的擎住效应。

答：IGBT内部寄生着一个NPN晶体管和作为主开关器件的PNP晶体管组成的寄生晶闸管，其中NPN晶体管的基极与发射极之间存在体区短路电阻，（2分）P形体区的横向空穴电流会在该电阻上产生压降，相当于对J3结施加一个正向偏压，在额定集电极电流范围内，这个偏压很小，不足以使J3开通，然而一旦J3开通，栅极就会失去对集电极电流的控制作用，导致集电极电流增大，造成器件功耗过高而损坏，这种电流失控现象称为擎住效应（4分），